DE4139804C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kaffeemaschine, insbesondere
eine Espresso-Kaffeemaschine, wie sie im Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.
Solche Kaffeemaschinen sind seit längerem bekannt und werden,
obwohl sie unter dem Begriff "Espressomaschinen" verkauft werden,
sowohl zum Aufbrühen von Espresso-Kaffee als auch zum Aufbrühen
von Kaffeewasser für "Kaffee-Crème" eingesetzt. Vollautomatische
Kaffeemaschinen der gattungsgemäßen Art besitzen im
allgemeinen einen Kolbenmotor, welcher einen Kolben zum Verdichten
des in der Brühkammer befindlichen Kaffeepulvers antreibt,
so daß beim Durchlaufen des Heißwassers durch das
verdichtete Kaffeepulver (Aufbrühen) ein aromatisches Kaffeegetränk
entsteht, welches den vom Kunden gewünschten Geschmack
sowie das berühmte "Schäumli" aufweist.
Da der Kolben in zwei Richtungen bewegt werden muß, einerseits
in die eine Richtung zum Verdichten des Kaffeepulvers und andererseits
in die entgegengesetzte Richtung, um den Ausstoß
des ausgelaugten Kaffeepulvers sowie das Einfüllen des frischen
Kaffeepulvers zu ermöglichen, kommt eine aufwendige Mechanik
zum Einsatz. Diese Mechanik ist notwendig, um die Drehbewegung
des Kolbenmotors in eine Hubbewegung des Kolbens umzusetzen, da
die eingesetzten Wechselstrommotoren ohne aufwendige Maßnahmen
nur in einer Drehbewegung betrieben werden können.
Eine solche Mechanik hat jedoch drei grundlegende Nachteile.
- 1. Sie verteuert die Kaffeemaschine erheblich.
- 2. Sie ist störanfällig und unterliegt einem gewissen Verschleiß, so daß dadurch der Wartungsaufwand relativ groß ist.
- 3. Sie erhöht das Gewicht der Kaffeemaschine.
Aus diesen obenerwähnten Gründen wäre es daher naheliegend, einen
Gleichstrommotor, welcher problemlos in zwei Drehrichtungen
betrieben werden kann, zum Antrieb des Kolbens einzusetzen. Der
Einsatz eines Gleichstrommotors bringt aber wiederum andere
Nachteile mit sich.
- 1. Zum Betrieb eines Gleichstrommotors muß eine Gleichspannung vorhanden sein.
- 2. Gleichstrommotoren, welche aus preislichen Gründen überhaupt in Frage kommen, weisen im allgemeinen eine Betriebsspannung von weniger als 80 V auf. Daher muß die Netzwechselspannung von z. B. 220 V auf die zum Betrieb des Gleichstrommotors notwendige Spannung transformiert und gleichgerichtet werden. Ein solcher Transformator würde aber die für einen Gleichstrommotor erwähnten Vorteile bezüglich Gewicht und Preis wieder zunichte machen.
Ein weiterer Nachteil von bekannten Espresso-Kaffeemaschinen besteht zudem
darin, daß das zubereitete Kaffeegetränk beim Genuß, insbesondere
wenn ein Espresso zubereitet (kleine Menge aufgebrühtes
Wasser) und keine vorgewärmte Tasse benutzt wird, meist schon
relativ kalt ist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße
Kaffeemaschine so weiterzubilden, daß ein Gleichstrommotor zum
Antrieb des Kolbens eingesetzt werden kann, der in zwei unterschiedlichen
Drehrichtungen betreibbar ist und der ohne aufwendige
Schaltung an ein Netz anschließbar ist, wobei ferner mit geringem
Aufwand eine Heizvorrichtung zur Verfügung gestellt werden
soll, mit der Kaffeetassen derart vorgewärmt werden können,
daß selbst bei Zubereitung eines "Espresso-Kaffees" letzterer
beim Trinken als ausreichend warm empfunden wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Kaffeemaschine
mit den im Patentanspruch 1 definierten Merkmalen gelöst.
Espresso-Kaffeemaschinen der eingangs genannten Art besitzen
zur Steuerung im allgemeinen einen in ein Steuergerät integrierten
Mikroprozessor. Daher ist es ohne großen Mehraufwand
möglich, den Vorwiderstand über dieses Steuergerät so anzusteuern,
daß der Vorwiderstand auch für sich allein, ohne daß
der Gleichstrom-Kolbenmotor in Betrieb ist, als Heizelement zum
Erwärmen der Heizplatte angesteuert werden kann und daß zudem
die Heizleistung variierbar ist.
Dadurch, daß der zum Begrenzen der Spannung eingesetzte Vorwiderstand
auch noch als Heizelement für die Heizplatte eingesetzt
wird, kann die dabei anfallende Verlustleistung einerseits
sinnvoll genutzt werden und zum anderen erübrigt sich
damit ein Thermoblock zum Kühlen dieses Vorwiderstands.
Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9
beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. In
den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Espresso-Kaffeemaschine, um das grundsätzliche
Prinzip zu zeigen; und
Fig. 2 ein Prinzip-Schaltbild der elektrischen Schaltung.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt schematisch dargestellte Kaffeemaschine
weist ein Gehäuse 30, einen Kaltwasserbehälter 1, einen
Heißwasserbereiter 2, der in diesem Beispiel als Durchlauferhitzer
ausgebildet ist, sowie eine Pumpe 3 zum Fördern des Wassers
auf. Der mit 4 bezeichnete Gleichstrom-Kolbenmotor ist mit
einem Vorwiderstand 6 in Serie geschaltet, welcher einerseits
die anliegende Spannung am Gleichstrom-Kolbenmotor 4 begrenzt
sowie andererseits als Heizelement 16 für eine Heizplatte 7
dient. Dieser Gleichstrom-Kolbenmotor 4 treibt über ein Zahnrad
8 eine Zahnstange 9 an, welche an ihrem Ende einen Kolben 5
trägt, der das in einer Brühkammer 12 befindliche
Kaffeepulver 10 verdichtet. Das gemahlene Kaffeepulver aus
dem Vorratsbehälter 20 wird über eine Zuleitung 21 in die Brühkammer
12 zudosiert.
Zum Aufbrühen des Kaffees fährt der Kolben 5 in die Brühkammer
12 soweit ein, daß das Kaffeepulver 10 auf einen vorbestimmten
Wert verdichtet wird. Wenn der Kolben 5 dann mit einer definierten
Kraft auf dem Kaffeepulver 10 aufliegt, beginnt der eigentliche
Brühvorgang. Hierzu wird das unter Druck stehende,
erhitzte Wasser 11 über eine Heißwasser-Zuleitung 14 durch den
Kolben 5 geführt; dort kann es durch ein am unteren Ende des
Kolbens angebrachtes Sieb 13 austreten, um dann anschließend
das Kaffeepulver 10 durchfließen zu können. Das aufgebrühte
Kaffeegetränk tritt schließlich durch ein am unteren Ende der
Brühkammer angebrachtes Kaffeesieb 22 aus und fließt damit in
die Kaffeetasse 25 hinein.
Nach dem Brühvorgang wird das ausgelaugte Kaffeepulver in
nicht näher beschriebener Weise entfernt.
Um die Kaffeetassen 25 möglichst einfach auf eine bestimmte
Temperatur zu bringen, wird das Heizelement 16 beim Einschalten
der Kaffeemaschine über die Steuerung S1 automatisch aktiviert.
Dabei kann davon ausgegangen werden, daß die auf der Heizplatte
7 der Kaffeemaschine liegenden Kaffeetassen 25 bereits wenige
Minuten nach dem Einschalten der Kaffeemaschine, auf die gewünschte
Temperatur vorgewärmt sind.
Aus der Fig. 2 ist das prinzipielle elektrische Schaltschema zum
Ansteuern des hier mit dem Symbol M1 belegten Gleichstrom-Kolbenmotors 4 sowie einem in Serie
dazu geschalteten, in Fig. 2 mit R1 bezeichneten elektrischen Widerstand 6 ersichtlich.
Das mit S1 bezeichnete Steuergerät besitzt drei Ausgänge. Am
ersten Ausgang ist eine Treiberstufe L1, am zweiten Ausgang eine
Treiberstufe L2 und am dritten Ausgang eine Phasenanschnitt-
oder Wellenpaketsteuerungs-Schaltung L3 angeschlossen. Der Ausgang
der Treiberstufe L1 ist mit einem mit TR1 bezeichneten
Triac und, in Serie dazu, einer in Sperrichtung geschalteten
Diode D1 verbunden. Der andere Anschluß der Diode D1, die
Anode, ist mit dem einen Pol des Motors M1 verbunden. Am Ausgang
der Treiberstufe L2 ist ein mit TR2 bezeichneter Triac
und, in Serie dazu, eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode
D2 angeschlossen. Die Kathode der Diode D2 ist mit dem gleichen
Pol des Motors M1 wie die Anode der Diode D1 verbunden. Der
Ausgang der Phasenanschnitt- oder Wellenpaketsteuerungs-Schaltung
L3 schließlich ist mit dem anderen Pol des Gleichstrom-Kolbenmotors
verbunden, an welcher auch der elektrische Widerstand
R1 angeschlossen ist. Parallel zum Motor M1 sind, in gegensinniger
Schaltung, zwei Überspannungsschutz-Schaltungen U1
und U2 angeschlossen.
Beim Betrieb des Gleichstrom-Kolbenmotors M1 wird die anliegende
Netzspannung (220 V) durch den in Serie geschalteten Vorwiderstand
R1 begrenzt. Soll nun der Gleichstrom-Kolbenmotor M1
in der einen Drehrichtung, nämlich zum Verschieben des Kolbens
5 (Fig. 1) nach unten, angetrieben werden, so wird dieser über
die Treiberstufe L1, welche den Triac TR1 zündet, angesteuert.
Die Diode D1 ist mit dem Motor M1 sowie dem Triac TR1 in Serie
geschaltet. Dadurch, daß die Kathode der Diode D1 mit dem Motor
M1 verbunden ist, werden die negativen Halbwellen von der Diode
D1 gesperrt, so daß nur die positiven Halbwellen der Netzspannung
zum Antrieb des Gleichstrom-Kolbenmotors M1 genutzt werden.
Dies bedeutet, daß der Gleichstrom-Kolbenmotor M1 nur mit
einer Spannung, die eine gleiche (in diesem Fall positive) Polarität
aufweist, beaufschlagt wird.
Sinngemäß gilt für die andere Drehrichtung und damit die Verschiebung
des Kolbens nach oben natürlich dasselbe, nur daß
für die Ansteuerung des Motors M1 in diesem Fall dann die Treiberstufe
L2 mit dem Triac TR2 sowie der Diode D2 zum Einsatz
kommt. Die Diode D2 weist gegenüber der Diode D1 entgegengesetzte
Durchlaßrichtung auf, so daß nur die positiven Halbwellen
von der Diode D2 gesperrt werden und damit die negativen
Halbwellen zum Antrieb des Gleichstrom-Kolbenmotors M1 genutzt
werden.
Spannungsspitzen, welche für den Gleichstrom-Kolbenmotor M1 gefährlich
sein könnten, werden durch die Überspannungsschutz-Schaltungen
U1 und U2, welche parallel zum Motor M1 liegen, abgefangen.
Dies gilt sowohl für positive wie auch für negative
Halbwellen. Die Glättung dieser Halbwellen erübrigt sich, da
der Gleichstrom-Kolbenmotor M1 zusammen mit der Zahnstange 9
(Fig. 1) ein relativ großes Massenträgheitsmoment aufweist, so
daß trotz pulsierender, über dem Gleichstrom-Kolbenmotor anliegender
Gleichspannung eine kontinuierliche Bewegung des Kolbens
entsteht. Die im Vorwiderstand R1 während des Betriebs des
Motors M1 in Wärme umgesetzte Leistung wird zum Erwärmen der
Heizplatte 7 (Fig. 1) verwendet.
Sollen nur die Kaffeetassen vorgewärmt werden, ohne daß der
Gleichstrom-Kolbenmotor M1 betrieben wird, so kann der zum Aufheizen
der Heizplatte vorgesehene elektrische Widerstand R1,
ohne daß der Motor M1 in Betrieb ist, über die Phasenanschnitt-
oder Wellenpaketsteuerungs-Schaltung L3 angesteuert
werden. Die Regulierung der Leistung zum Vorwärmen der Tassen
wird in nicht näher beschriebener Weise
ebenfalls über die Phasenanschnitt- oder Wellenpaketsteuerungs-Schaltung
L3 ermöglicht.
Ein
in dem Steuergerät S1 untergebrachter
Mikroprozessor sorgt dafür, daß nicht sinnvolle oder nicht
zulässige Ansteuerungen ausbleiben. Er bewirkt beispielsweise,
daß nur jeweils die eine der beiden Treiberstufen
L1 oder L2 den Gleichstrom-Elektromotor ansteuert, und daß
der Vorwiderstand R1 über die Phasenanschnitt- oder Wellenpaketsteuerungs-Schaltung
L3 nicht zusammen mit einer der beiden
Treiberstufen L1 oder L2 aktiv ist.
Dadurch, daß der geregelte Gleichstrom-Kolbenmotor den Hubweg des Kolbens
direkt über eine Zahnstange bestimmt, ist es möglich,
das Kaffeepulver
immer schön gleichmäßig, unabhängig von der zudosierten Menge, zu
verdichten. Bei den bisher eingesetzten Wechselstrommotoren,
die nur eine Drehrichtung aufweisen und über eine aufwendige
Mechanik (beispielsweise eine Kurbelwelle) diese Drehbewegung
in eine Hubbewegung umsetzen, kann die Verdichtung des
Kaffeepulvers nicht in Abhängigkeit von der zudosierten Kaffeemenge
variiert werden, da der Hubweg des Kolbens vorbestimmt
und konstant ist.
Claims (9)
1. Kaffeemaschine, insbesondere Espresso-Kaffeemaschine,
welche einen Kaltwasserbehälter (1), eine Pumpe (3) zum
Fördern des Wassers, einen Heißwasserbereiter (2), eine
Brühkammer (12) zur Aufnahme des Kaffeepulvers (10) sowie
einen von einem Kolbenmotor (4) angetriebenen Kolben (5)
zum Verdichten des in der Brühkammer (12) befindlichen
Kaffeepulvers (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolbenmotor (4) als mit einer niedrigeren als der
Netzspannung betriebener Gleichstrommotor (4) ausgebildet
und zur Spannungsanpassung mit einem dazu in Serie
geschalteten elektrischen Widerstand (6) versehen ist,
daß der Kolbenmotor (4) mit Hilfe von Gleichrichterelementen
(Dioden D1, D2) in der Drehrichtung umschaltbar ist und daß eine Heizplatte
(7) zum Vorwärmen von Tassen oder zur Warmhaltung des Getränks
vorgesehen ist, bei welcher der elektrische Widerstand
(6) als Heizelement (16) für die Heizplatte (7)
dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der elektrische Widerstand (6) auch unabhängig vom
Gleichstrom-Kolbenmotor (4) als wirksames Heizelement
(16) ansteuerbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Heizelement (16) die Form einer Heizschlange aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Heizelement (16) thermisch mit der Heizplatte (7) gekoppelt
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizplatte (7) zum Vorwärmen von Kaffeetassen (25)
dient.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizplatte (7) als obere Gehäuseabdeckung (17) ausgebildet
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Heizplatte (7) aus Metall besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel vorgesehen sind, welche das Heizelement (16) zum
Aufheizen der Heizplatte (7) mit dem Einschalten der Kaffeemaschine
automatisch aktivieren.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einschaltdauer und damit die Heizleistung
das Heizelement (16) über eine Phasenanschnitt-
oder Wellenpaketsteuerung steuerbar ist.
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